黄土隧道围岩局部浸水静力特征分析

王少雄, 曹小平, 王建华

(兰州交通大学土木工程学院, 兰州 730070)

湿陷性黄土具有孔隙大、水敏性强等物理性质,这种低压缩性的黄土一旦浸水湿陷后,其强度会大幅度下降,产生很大变形。近年来西部的交通基础建设进展的突飞猛进:诸如已经建成通车的兰新客运专线、银西高铁以及北京至拉萨高速(G6)等国家高速公路线路和黄土地区部分在建高速公路等。在以上这些交通线路中有相当数量的隧道穿越黄土地区。随着中国黄土隧道日益增多,途经黄土高原区的线路越来越多。由于黄土土质疏松,一方面在隧道开挖施工过程中易变形形成塌方;另一方面隧道运营期间当围岩浸水时易产生湿陷变形。同时,隧道地基的湿陷变形与不均匀沉降会对隧道结构产生很大程度破坏[1]。除了地表水入渗和水位上升,还有未做好防排水措施等方面,例如强降雨条件下使得基坑积水由渗水通道流到隧道周围地层,导致隧道周围土体湿陷,对隧道的稳定与安全造成威胁[2-3]。黄土地层的湿陷变形已成为当前黄土地区工程建设中急需解决的问题。

关于黄土隧道浸水湿陷产生的危害,大量的学者展开了研究。李骏[4]通过大型浸水试验揭示了实际工程中隧道地层湿陷发生的水-力条件与衬砌结构的破坏特点和受力特征,结合数值模拟提出了湿陷性黄土的围岩压力计算方法和湿陷系数与基床系数的关系。刘腾等[5]利用理论解析法与数值模拟方法对不排水条件下的富水黏土地层盾构隧道的开挖面稳定性开展研究,推导了已有的适用于不排水分析的开挖面主动破坏模式,由黏土不排水离心试验得到破坏区域范围,进而对极限支护力进行修正。刘德安等[6]基于富水泥岩隧道大断面隧道,采用离散元方法分析了开挖面失稳过程及前方围岩变形破坏特征,并且提出超前帷幕注浆结合超前管棚的预加固措施。来弘鹏等[7]利用模型试验和有限元软件,研究了强降雨条件下隧道衬砌结构在围岩浸水后的变化特征,认为水分通过地表裂缝入渗使得隧道衬砌劣化并在隧道拱部和边墙部位产生裂缝。但是对于局部浸水条件下黄土隧道运营期间的安全与稳定性研究相对较少,故研究黄土地层围岩局部浸水湿陷对隧道结构的湿陷危害防治具有重要意义。

目前,关于黄土湿陷的数值模拟尚无明确的本构模型,没有合适的方法来模拟黄土的湿陷过程。蒋明镜等[8]使用离散元方法对结构性黄土进行研究,分析了加载和浸水过程中结构的损伤变量。但最终没有得到结构性黄土胶结颗粒之间的规律。根据相关资料,土体湿陷会使得土体强度下降,针对数值模拟软件改变三大强度指标:弹性模量E,黏聚力c,摩擦角φ来模拟土体浸水后的特性。在岩土工程中主要通过改变黏聚力c和摩擦角φ来分析基坑和边坡的稳定性,修正土体的弹性模量来研究土体的变形。Dong等[9]通过一种“密模修正法”修正土体密度和弹性模量,模拟黄土浸水湿陷变形,并且验证了该方法的可行性。穆晓虎[10]选取弹性模量折减系数为0.3时数值模拟的结果与实测值比较接近。

现依托定西市锦屏隧道,使用Midas/GTS建立计算模型,对正常开挖和浸水两种工况进行数值模拟计算,研究局部浸水条件下黄土隧道衬砌及围岩的变形规律与应力特征。

1 工程概况

拟建隧道位于定西市通渭县,该隧道位于黄土梁昴区,地势西南高东北低。隧道右线起讫桩号YK14+960～YK16+416,长1 456 m,左线起讫桩号ZK14+913～ZK16+389,长1 476 m,隧道最大埋深约111.5 m。隧址区最高海拔2 140 m,最低海拔2 010 m,相对高差130 m。上部为风积黄土,浅黄色,稍湿,稍密,土质均匀,孔隙发育。隧道洞身主要为新近系泥岩,是隧道洞身通过的主要地层。

2 计算参数与有限元模型建立

2.1 计算参数

根据相关资料,湿陷性黄土浸水土体重度会增大,为了在软件中模拟土体重度增大的效果,饶伟[11]在浸水湿陷区域施加了体力荷载。为了简化计算,采用土体饱和重度来模拟重度增加的效果。围岩土体物理力学参数如表1所示。

表1 材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

2.2 有限元模型

使用Midas/GTS建立三维隧道模型,开挖前隧道与围岩整体模型如图1所示。隧道开挖方法为中隔壁法(center diaphragm,CD),模型水平方向取90 m,竖直方向取60 m,纵向开挖长度取 20 m。模型包括围岩,二衬,初支,锚杆四部分。其中初期支护厚度26 cm,选用直径为22 mm的锚杆;围岩采用摩尔-库伦本构模型,隧道导坑与二衬为三维实体单元,采用各向同性弹性本构模型;初级支护为板单元,采用植入式桁架单元模拟锚杆,上部分黄土划分为规则六面体单元,总体模型共划分了25 314个单元。隧道模型四周设置位移约束,通过施加自重荷载来模拟土体的自重,使用的计算模型选取0.3作为弹性模量的折减系数。

图1 围岩整体模型Fig.1 Overall model of surrounding rock

该计算模型考虑浸水范围为隧道上部土体和拱顶到拱肩位置的围岩浸水。隧道有限元模型如图2所示。

图2 隧道有限元模型Fig 2. Finite element model of tunnel

隧道施工步序:左上导坑开挖→作初支,临时支撑,打锚杆→左下导坑开挖→作初支,打锚杆→右上导坑开挖→作初支,打锚杆→右下导坑开挖→作初支,打锚杆→完成二衬。

3 计算结果与分析

计算结果主要针对围岩与衬砌变形与应力进行分析,隧道特征点1～6布设结果如图3所示。

图3 特征点布设位置Fig.3 Location of feature points

3.1 围岩位移分析

通过Midas/GTS计算的结果,得到各施工步竖向位移云图如图4所示,观察其位移变化规律。选取拱顶、拱腰、仰拱等特征点,分析沉降量随着开挖进程的变化特征。

图4 开挖各施工步下竖向位移Fig.4 Vertical displacement under each excavation step

根据锦屏隧道设计图及类似工程支护参数,计算模型支护结构参数如表2所示。

表2 支护结构参数Table 2 Supporting structure parameters

由竖向位移图(图4)可知,隧道开挖后黄土围岩拱顶处产生最大沉降,最大值为9.60 mm,开挖后在洞室仰拱处产生隆起变形,最大竖向变形为10.9 mm。随着开挖进程,拱顶节点的沉降快速增加。开挖第5步,拱顶沉降为4.21 mm;开挖第10步后,拱顶沉降为6.73 mm;相比第5步,沉降增加了59%。可以看出在第10步之后,拱顶沉降增加得比较缓慢。

图5为黄土隧道围岩局部浸水后,4种工况下的围岩竖向位移云图。

图5 浸水后各施工步下竖向位移Fig.5 Vertical displacement under each construction step after flooding

根据上述竖向位移图,浸水条件下开挖第10步后,隧道洞室拱顶沉降达到了8.47 mm,比正常开挖状态下沉降量增加了25%。拱底竖向位移也增加到12.49 mm,相比浸水前增加了3.71 mm。

隧道开挖与浸水后洞室内各特征点的竖向变形如表3所示。

表3 隧道内特征点竖向变形Table 3 Vertical deformation of feature points in tunnels

围岩浸水后隧道也在拱顶位置出现最大沉降,沉降为13.18 mm;比浸水前增加了3.58 mm。局部浸水后隧道拱底处产生隆起变形,最大变形为14.69 mm。浸水后拱肩的沉降显著增加,沉降大约增加了1.8 mm。同时,围岩局部浸水后。洞室拱腰位置变形很小,符合黄土隧道对沉降的要求。

3.2 地表沉降分析

隧道开挖引起的地表沉降曲线如图6所示,地表沉降和沉降槽的宽度受围岩土体物理力学性质,开挖断面形状等条件的影响。从图6中可以得到开挖后沉降槽大致宽40 m,围岩局部浸水湿陷对沉降槽的宽度几乎不产生影响。沉降与距隧道中线距离呈抛物线分布,地表最大沉降出现在隧道正上方,开挖后最大沉降为4.01 mm,浸水湿陷后地表的最大沉降为5.66 mm。与此同时,在浸水后地表以下10 m处沉降槽宽度比地表处大,沉降也增大到9.18 mm,大约为地表处的1.6倍。可以看出局部浸水后黄土围岩产生了较大变形。

图6 地表沉降曲线Fig.6 Surface settlement curve

3.3 围岩应力分析

隧道开挖后,洞室周围的主应力方向会改变,还会发生应力集中的现象。隧道模型开挖与浸水湿陷后围岩产生的最大应力如图7和图8所示。

图7 开挖后最大主应力图Fig.7 Maximum principal stress force diagram after excavation

图8 浸水后最大主应力图Fig.8 Maximum principal stress force diagram after immersion

由图7可以看出,隧道开挖后在拱顶与仰拱处出现最大主应力, 开挖后的最大主应力为59 kPa。沿着隧道中线两侧主应力对称分布,隧道洞室主应力在拱顶与仰拱左右侧呈V字形分布,数值逐渐降低。

根据以上应力云图得到,浸水后在相同位置出现最大主应力。黄土隧道围岩局部浸水后最大主应力为89 kPa,比浸水前增大了50%。隧道洞室主应力也在拱顶与仰拱左右侧呈V字形分布,数值逐渐降低。在浸水区域内,浸水湿陷后的最大主应力小于开挖后的主应力。这是因为低压缩性黄土在自然湿度条件下一旦浸水其强度会下降很多,产生较大变形。

3.4 支护结构受力分析

隧道开挖完后要进行支护,开挖完下面分析开挖与浸水后初级支护结构的内力。初级衬砌的内力图如图9所示。

图9 衬砌结构内力Fig.9 Internal Forces of lining structure

结果显示,隧道开挖后衬砌最大弯矩集中在拱顶处,最大弯矩为11.1 kN·m。占比最大的弯矩区间为0～-31.6 kN·m。围岩浸水湿陷后衬砌也在拱顶处出现最大弯矩,最大弯矩28.5 kN·m。比开挖后增加了17.4 kN·m。可以看出黄土围岩局部浸水后衬砌内力显著增大,仰拱中部产生正弯矩,墙脚处产生较大负弯矩。

支护结构除了初级衬砌还有锚杆,图10为浸水后锚杆轴力云图。可以看出,隧道开挖完后,锚杆在洞室中大部分承受拉力,锚杆承受的最大拉力为40.0 kN。浸水后锚杆最大轴力为40.6 kN,由于初级支护比较厚,所以围岩浸水湿陷后对于锚杆的轴力没有太大影响。

图10 浸水后锚杆轴力图Fig.10 Shaft diagram of post-submerged anchor shaft

该模型中衬砌采用C25混凝土,根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)得到,其轴心抗压设计强度为11.9 MPa,轴心抗拉设计强度1.27 MPa。提取开挖与浸水后衬砌最大主应力与最小主应力云图,如图11和图12所示。

图11 开挖后衬砌应力Fig.11 Lining Stress after excavation

图12 浸水后衬砌应力Fig.12 Lining stress after flooding

由上述结果显示,正常开挖后占比最大的主应力区间为0～-6.81 MPa,占比为15.1%,浸水后占比最大的主应力区间是0～-2.94 MPa。可以看出,隧道衬砌主要承受压应力。开挖后衬砌结构最大压应力出现在两侧拱脚处,应力为4.15 MPa。最大拉应力主要集中在拱肩位置,最大值为1.91 MPa。围岩浸水后衬砌结构最大压应力为5.06 MPa,最大拉应力为2.08 MPa。在围岩浸水后,最大压应力为设计强度的42%。最大拉应力超过了抗拉设计强度,可以通过加强支护来使其满足要求,例如加超前小导管或者钢架。

综上所述,围岩局部浸水后其强度降低,致使黄土围岩逐渐失去承载力,相比正常开挖后,浸水后隧道上方围岩土体重度增大作为荷载作用到衬砌结构,使隧道结构变形和受力发生变化,对隧道运营期间的安全和稳定造成一定影响。

4 结论

(1)围岩浸水后,隧道上方土体与衬砌整体出现沉降,相比正常施工完后,拱顶的最大沉降值为13.18 mm,相比开挖后增加了3.58 mm。地表最大沉降量出现在隧道正上方,地表沉降槽大约宽40 m,其宽度在围岩浸水后几乎不变化。浸水湿陷后地表的最大沉降量为5.66 mm。

(2)黄土隧道在开挖与浸水湿陷后,围岩的最大主应力主要集中在仰拱位置,开挖后最大主应力为59 kPa,浸水后,最大主应力达到89 kPa。相比开挖后,增大了50%。

(3)围岩浸水后衬砌在拱顶处产生最大弯矩,最大弯矩为28.5 kN·m,比开挖前增大了17.1 kN·m。浸水后衬砌结构内力显著增加。开挖后衬砌结构最大压应力为4.14 MPa,最大拉应力为1.9 MPa,围岩浸水后衬砌最大压应力为5.06 MPa,最大拉应力为2.08 MPa。最大压应力为设计强度的42%,最大拉应力超过抗拉设计强度。